pobierz zbiór pdf

Spontaniczne rozszczepienie Liza Meitner i Otto Frisch w 1939 r.zaproponowali wyjaśnienie tegoefektu jako rozszczepienie jądra Okazało się, że takie jądra jak uran czy tor potrafiąrozszczepiać się samorzutnie (spontanicznie – bezbombardowania neutronami) Spontanicznemu rozszczepieniu podlegają tylkobardzo ciężkie jądra(A,Z) ⎯→ (A 1 ,Z 1 ) + (A 2 ,Z 2 ) + k⋅nZ = Z 1 + Z 2A = A 1 + A 2 + kWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 2

Wnioski z doświadczalnej zależności B(A,Z) Podział najcięższych jąder na lżejsze jestenergetycznie korzystny:RozszczepienieRozpad alfaWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 3

Modelowanie rozszczepienia Obraz modelowy:pękanie zdeformowanejkropli cieczy jądrowej Czas zachodzeniaprocesu zależy odprawdopodobieństwatunelowania przezbarierę potencjałuenergia aktywacjiWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 4

Czas procesu BARDZOsilnie zależy odparametrurozszczepialnościrównego Z 2 /ARozszczepialnośćWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 5

Model Nilsa Bohra i Johna Wheelera W 1939 r. (niezależnie od L.Meitner i O.Hahna) pokazali,że konkurencja zmiany energii powierzchniowej i energiikulombowskiej przy przejściu od kuli do elipsoidy o tejsamej objętości może prowadzić do rozszczepienia(wydzielania energii)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 6

Energia fragmentów: systematyka Violi Energia kinetyczna fragmentów odzwierciedla wysokośćbariery(odpychanie kulombowskie) Parametryzacja: Rozrzut opisany funkcjąGaussa z rozmyciemWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 7

Masy fragmentów Podział masy na fragmenty rozszczepieniazależy od energii wzbudzeniarozszczepiającego się jądra:• E* niska → asymetryczny rozkład mas fragmentów• E* wyższa → przejście do rozkładu symetrycznegoWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 8

Neutrony z rozszczepienia Fragmenty – produkty rozszczepienia mająduży nadmiar neutronów Pozbywają się ich na dwa sposoby:• Emitują neutrony „natychmiastowe” (prompt)• Zamieniają neutrony na protony w rozpadzie β –z czasem życia około kilku sekund, a produkty,które dalej są neutronowo nadmiarowe emitująneutrony „opóźnione” (delayed) Pierwszy typ neutronów pozwala wywołaćreakcję łańcuchową, a drugi pozwala niąsterowaćWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 9

Rozkład liczby neutronów Dobry opis przez rozkład Gaussa• średnia = 2 – 3, różnadla różnych jąder• odchylenie standardowe= 1,08 identyczne dlawszystkich jąder Neutrony opóźnione stanowiądla 235 U tylko 0.7% wszystkichneutronów i są średnio opóźnioneo 12,5 sekundyWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 10

Krzywa wzbudzenia dla rozszczepienie Przekrój czynny na rozszczepienie przybombardowaniu 235 U neutronami silnierośnie ze zmniejszaniem energii neutronów Dla 238 Uistniejeprogowaenergianeutronów(kilka MeV)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 11

Widmo neutronów z rozszczepienia Aby wykorzystać neutrony z rozszczepienia235U dla inicjowania kolejnych rozszczepieńnależy je spowolnić (moderować) do reżimutermicznego (meV)n+U-235Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 12

Reakcja łańcuchowa W naturalnym uranie przeważa 238 U (99,3%),izotopu 235 U „łatwo” rozszczepialnego jest 0,7% Samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowanastępuje po osiągnięciu masy krytycznejWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 13

Kontrolowana reakcja łańcuchowa Pierwszy reaktor jądrowy: Chicago Pile One(Enrico Fermi i Leo Szilard, 02.12.1942)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 14

Reaktor jądrowy Schemat1. Osłona biologiczna 2. Osłona ciśnieniowa3. Reflektor neutronów 4. Pręty bezpieczeństwa5. Pręty sterujące 6. Moderator7. Pręty paliwowe 8. ChłodziwoWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 15

RdzeńElementy reaktora• Pręty paliwowe (np. UO 2 )• Pręty regulacyjne i bezpieczeństwa (kadm, bor)• Moderator (woda, ciężka woda, grafit, …)• Kanały chłodzenia (woda, ciężka woda, sód, …)• Kanały badawcze Reflektor neutronów Osłona biologiczna Osłona termiczna Osłona ciśnieniowa rdzeniaWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 16

Ruda uranowa, wzbogacanie Uran transformowany do postacigazowej UF 6 Zwiększanie stosunku 235 U/ 238 Useparację w szeregowopołączonych układach (3 metody)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 17

Pręty paliwowe Postać UO 2 (zawartość 235 U około 3%);pastylki → pręty → elementy paliwoweWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 18

Rdzeń reaktoraWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 19

Składowanie odpadów jądrowychWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 20

Klasyfikacja reaktorówPrzy podziale reaktorów bierze się pod uwagęwiele różnych cech: Paliwo:• Naturalny uran (zawartość 235 U = 0,72%)• Wzbogacony uran (3-5%, a nawet 20%)• 239 Pu, 233 U otrzymane z przeróbki wypalonego paliwa Moderator:• H 2 O – „lekkowodne” = LWR (Light Water Reactor)• D 2 O – „ciężkowodne” = HWR (Heavy Water Reactor)• 12 C – „grafitowe”Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 21

Klasyfikacja reaktorów c.d. #1 Chłodzenie• Woda pod normalnym ciśnieniem = BWR (BoilingWater Reactor)• Woda pod dużym ciśnieniem (aby była płynemw wysokich temperaturach)= PWR (Pressurized-Water Reactor) lub= WWER (Wodno Wodianyj EnergeticzeskijReaktor)• Gaz (CO 2 lub He) = GCR (Gas Cooled Reactor)• Stopione metale (Na lub Pb)• Stopione sole np. fluoru = MSR (Molten SaltReactor)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 22

Klasyfikacja reaktorów c.d. #2 Rodzaj konstrukcji (generacje)• I = prototypowe• II = przemysłowe• III = nowe konstr.• III+ = ulepszane• IV = projektowane Przeznaczenie• Energetyczne (power reactor)• Powielające tj. wytwarzające nowe paliwo doreaktorów lub do celów wojskowych (breederreactor)• Badawcze (research reactor)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 23

Klasyfikacja reaktorów c.d. #3 Reaktory na neutrony termicznekonieczne spowalnianie neutronów, więc• Musi być moderator• Paliwo musi być wzbogacone o 235 U• Ilość rozszczepialnej substancji na końcu 100 keV)nie spowalnia się neutronów, więc• Nie potrzeba moderatora, ale• Potrzeba więcej paliwa (mimo to cały reaktor jestmniejszy – stosowane na okrętach i łodziachpodwodnych)• Ilość rozszczepialnej substancji na końcu może być>100% (powielanie paliwa)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 24

Klasyfikacja reaktorów c.d. #4Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 25

Dynamika reaktora Współczynnik namnażania neutronów kstosunek liczby neutronówwywołujących rozszczepieniaw kolejnych pokoleniach• k = 1 – stan krytyczny• k < 1 – stan podkrytyczny• k > 1 – stan nadkrytyczny Reaktywnośćstabilna praca reaktora (sterowanie przez neutronyopóźnione) dlaWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 26

Zastosowania energii jądrowejWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 27

Elektrownia jądrowa a konwencjonalna Różny sposób uzyskania ciepławęglowajądrowaWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 28

Schemat elektrowni jądrowejWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 29

Elektrownia jądrowa PWRWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 30

Elektrownia jądrowa BWRWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 31

Elektrownia jądrowa HWRWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 32

Elektrownia jądrowaWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 33

Elektrownia jądrowaWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 34

Przemysłowo stosowane reaktoryWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 35

Przemysłowo stosowane reaktoryWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 36

PlusyZalety i wady energetyki jądrowej• Niewielki udział kosztów paliwa – stabilne ceny energii• Tańsza niż inne rodzaje energetyki (gdy weźmie sięWSZYSTKIE koszty pod uwagę – również rekultywacjęśrodowiska)• Bezpieczna i ekologiczna przy poprawnej obsłudze Minusy• Konieczność składowania i/lub przeróbki odpadów• Konieczność zachowania wysokich standardów przy budowiei obsłudze• Efekt nagrzania środowiska (występujący takżew konwencjonalnych elektrowniach węglowych)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 37

Cykl paliwowy kompletnyWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 38

Energetyka a emisja CO 2Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 39

Naturalny reaktor w OKLO Abundancja 235 U w naturalnym U jest stała nacałym świecie i wynosi (0,00720±0,00001)% W 1972 r. zaobserwowanow Oklo (Gabon), że istniejąpróbki o abundancji 235 Urównej 0.00717 (3 σ mniej), aprzy dalszym poszukiwaniuznaleziono próbki 0.00440 Nie może to być potraktowane jako statystyczneodchylenie Logiczne wytłumaczenie polega na tym, że istniałtam naturalny reaktor jądrowy (bo taka abundancja235U jest typowa dla wypalonego paliwa jądrowegow reaktorze; znaleziono także produkty rozszczepienia)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 40

Naturalny reaktor w Oklo c.d. #1 Paliwem w reaktorze były rozpuszczone w wodziesole UO 2 Moderatorem neutronów była woda, w którejznajdowały się sole oraz pewna ilość naturalnego C Położenie geologiczne zapewniło brak pierwiastkówtzw. „neutron poissons” (pochłaniających neutrony) Aby mogła zachodzić reakcja łańcuchowa toabundancja 235 U musiała wynosić przynajmniej 3% Stąd można oszacować, że reaktor istniał około2 miliardy lat temu Z ilości wypalonego paliwa wynika, że miał on mocrzędu 100 kW i działał od 100 000 do 500 000 lat Stąd ilość wyprodukowanej energii ~ 100 000 GWhWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 41

Naturalny reaktor w Oklo c.d. #2 Reaktor sam się regulował – wydzielanie ciepłazwiązane z reakcją łańcuchową powodowałowyparowanie wody – moderatora niezbędnego dlapodtrzymania reakcji łańcuchowej → wtedy reaktorprzestawał działać aż do następnych opadów Okazało się, że reaktorten spalał także 239 Pu,który sam produkował;był więc (częściowo)reaktorem powielającym(breeder reactor)Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 42

Formacja geologiczna OkloProdukty rozszczepienia nie zostały przez te2 miliardy lat rozrzucone w dużym obszarzeWniosek: przechowywanie wypalonego paliwa zreaktora w stabilnych geologicznie utworach skalnychjest możliwe i wydaje się rozsądnym rozwiązaniemWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 43

Podstawy Fizyki JądrowejDo zobaczenia za tydzieńWykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 44